Идельчик В.И. Электрические системы и сети

Подождите немного. Документ загружается.

160 Рабочие режимы электроэнергетических

систем

Гл. 4

Баланс мощности запишется следующим образом:

с2

+ Р

= 2Р

+ ЛР

. (4-5)

При снижении частоты в системе персонал или вторич-

ные регуляторы частоты станции, регулирующей частоту,

увеличат пропуск энергоносителя в турбину. Это соответ-

ствует параллельному перемещению характеристики 12

и установлению в системе номинальной частоты в точке 3

рис.

4.2, а. Регулирующая станция принимает на себя все

увеличение нагрузки:

= P

+ ЛР

с1

+ Р

= 2Р

+ ДР

. (4.6)

Изменение потребляемой мощности может быть боль-

ше,

чем диапазон регулирования Р станции, ведущей час-

тоту. Тогда регулировать частоту должны две или более

станций. Рассмотрим распределение мощности между дву-

мя станциями, ведущими частоту в системе (рис. 4.2,6).

При нагрузке 2Рп частота в системе номинальная; стан-

ция / имеет нагрузку Р|, станция 2 — Р\:

PJ+pi^SPJ,. (4.7)

При увеличении нагрузки на АР

прирост мощности рас-

пределится между станциями в соответствии со статиче-

скими характеристиками. При первичном регулировании

частота понизится до f\. На станциях 1 и 2 нагрузки со-

ответственно вырастут на ДРь АР

и станут равными

D2 D2

Запишем уравнение баланса мощности для этого

случая:

Р2 + Р2-2Р^ + ДР

. (4.8)

При вторичном регулировании статические характерис-

тики перемещаются вверх параллельно самим себе, так

что частота в системе становится номинальной. Из тре-

угольников

А'1'2'

и А12 на рис. 4.2,6 можно убедиться,

что изменения мощностей станций APi и АР

обратно про-

порциональны коэффициентам статизма их регуляторов

скорости, т. е.

АР

_ *§

ст

1 __

QTt и 9)

ДР

tga

Т2

§ 4.4 Понятие об оптимальном распределении Р 161

где /CCTI и

/Сст2

— коэффициенты статизма статических ха-

рактеристик регуляторов скорости, равные тангенсам угла

наклона а этих характеристик.

4.4.

ПОНЯТИЕ ОБ ОПТИМАЛЬНОМ РАСПРЕДЕЛЕНИИ АКТИВНЫХ

МОЩНОСТЕЙ

Энергетическая система объединяет электростанции раз-

личного типа, каждая из которых имеет несколько генера-

торов. Обычно суммарная мощность установленных генера-

торов превышает нагрузку энергосистемы. При этом возни-

кает вопрос о распределении активной нагрузки между

электростанциями и отдельными генераторами.

Естественное распределение мощности между станция-

ми обратно пропорциональное коэффициентам статизма из

регуляторов скорости (4.9), не учитывает требования эко-

номичности или оптимальности режима. Режим энергоси-

стемы, обеспечивающий наименьшие народнохозяйствен-

ные затраты, называют оптимальным. При определении оп-

тимального режима надо учитывать технико-экономические

показатели оборудования электростанций, стоимость топ-

лива и потери мощности в электрической сети.

В качестве критерия оптимального распределения ак-

тивных мощностей между тепловыми электростанциями

у нас в стране принимают минимум суммарного расхода

топлива в энергосистеме

В%

при соблюдении баланса мощ-

ности (4.1).

Для каждой электростанции и отдельного генератора

существует расходная характеристика, определяющая за-

висимость расхода топлива В от мощности Р. Рассмотрим

две электростанции с различными расходными характерис-

тиками B

=f(P

) (рис. 4.3, а, б).

Для простоты будем считать эти характеристики непре-

рывными. При одинаковой мощности станция / расходует

меньше топлива, чем станция 2. В то же время расходная

характеристика станции 1 более крутая, т. е. эта станция

увеличивает расход топлива на единицу роста нагрузки

больше, чем станция 2. В режиме 1 мощность станции 1

составляет Pj, станции 2 — Рг. Расход топлива станции /

равен В\ (рис. 4.3, а), станции 2 — В\ (рис. 4.3,6). На

рис.

4.3, в приведены суммарный расход топлива в энерго-

системе В^ =В\ -\-В\ и суммарная мощность станций Р\ =

=Р\ +Р<.

11—237

162 Рабочие

режимы,

электроэнергетических

систем

Гл. 4

При уменьшении нагрузки станции

1 на АР

расход топ-^

лива

В\

снизится

на

величину

AJ3I

станет равным

В\

(рис.

4.3.

а), При

увеличении нагрузки станции

2 на АР

расход топлива

В^

увеличится

на АВ

станет равным

(рис.

4.3,6). Режим

соответствует мощностям станций

и Р\,

причем

их

сумма

та же, что и в

режиме

Рис.

4.3. Распределение активной мощности между электростанциями:

а, б

—

расходные характеристики электростанций

1 и 2; в

—

суммарный расход

топлива

режимах

/ и 2; г

—

размещение мощностей различных электростанций

на

графике нагрузок энергосистемы

Для одной конкретной системы значения мощностей

и расходов топлива станций

системы

обоих режимах

в относительных единицах приведены

табл. 4.1.

Режимы

1 и 2 при

одинаковой суммарной мощности

станций различаются суммарным расходом топлива.

При

Р\=Р\ оказывается,

что

>В|. Увеличение

на АР

§ 4.4

Понятие

об

оптимальном распределении

Р 163

Таблица 4.1. Мощности и расходы топлива в двух режимах

те

9-i

О.

1 Pj =2,5

Р\=3,5

z=6

B\=2

Bj=3,25

4=5,25

^=1,5

Р?=4,5

Pi--=6

*?=1,5

4=3,5

4=5

мощности станции 2 и уменьшение Pi на АР привело к сни-

жению

В%,

так как ДРч>А£

Отношение ДБ/АР является важным технико-экономи-

ческим показателем станции.

Предел этого отношения

АВ dB

г (4.10)

lim

ДР-*0 АР

называется

относительным

приростом расхода топлива.

Станция, у которой меньше значение е, меньше увеличи-

вает расход топлива АВ при росте нагрузки, следователь-

но,

надо сначала загружать эту станцию.

Очевидно, наименьший расход топлива или оптимальное

распределение нагрузки будут при условии равенства от-

носительных приростов:

= g

=...= 8,- =...= const. (4.11)

Условие оптимальности (4.11) можно получить, записав

функцию Лагранжа для задачи оптимального распределе-

ния активной нагрузки между станциями без учета потерь

мощности в сети. В гл. 13 приведены условия оптимально-

сти и при учете потерь мощности.

Перераспределение нагрузок по условию (4.11) осуще-

ствляется воздействием на устройства изменения уставок

регуляторов скорости турбин либо вручную, либо автома-

тически.

На рис. 4.3, г приведен суммарный график нагрузки

энергосистемы. Распределение нагрузки между различны-

ми электростанциями производят, учитывая особенности их

технологического режима. В нижней — базовой — части

графика нагрузок работают те электростанции, мощность

И*

164 Рабочие режимы электроэнергетических

систем

Гл. 4

которых по условиям работы оборудования регулироваться

не может. Это гидроэлектростанции (ГЭС) без водохрани-

лищ либо ГЭС с водохранилищами, которые должны вы-

рабатывать мощность, определенную санитарным пропус-

ком воды, а также теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и атом-

ные станции (АЭС). В полупиковой части графика работают

конденсационные электростанции (КЭС), а в верхней —

пиковой части — ГЭС с водохранилищами и гидроаккуму-

лирующие станции (ГАЭС).

Электростанции, работающие в пиковой части графика

нагрузки, регулируют активную мощность, т. е. загружают-

ся позже других и разгружаются раньше. Это маневренные

станции, регулирующие частоту и обменные потоки мощ-

ности с другими энергосистемами. Они должны иметь до-

статочный диапазон регулирования и надежное оборудова-

ние с хорошо работающей системой вторичного регулиро-

вания частоты.

4.5. БАЛАНС РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И ЕГО СВЯЗЬ

С НАПРЯЖЕНИЕМ

При выработке и потреблении энергии на переменном

токе равенству вырабатываемой и потребляемой электро-

энергии в каждый момент времени отвечает равенство вы-

рабатываемой и потребляемой не только активной, но и ре-

активной мощности. Эти условия можно записать так:

- 2Р

= SP

+ SAP, (4.12)

« SQ

= SQ

+ SAQ, (4.13)

где SP

и SQ

— генерируемые активная и реактивная

мощности станций за вычетом собственных нужд; SP

— активная и реактивная мощности потребителей;

SAP,

SAQ — суммарные потери активной и реактивной

мощностей в сетях; SP

, SQ

—

суммарное потребление ак-

тивной и реактивной мощностей.

Уравнения (4.12) и (4.13) являются уравнениями балан-

сов активной и реактивной мощностей. Баланс реактивной

мощности по всей системе в целом определяет некоторый

уровень напряжения. Напряжения в узловых точках сети

электрической системы в той или иной степени отличаются

от среднего уровня, причем это отличие определяется кон-

фигурацией сети, нагрузкой и другими факторами, от ко-

§4.6 Регулирующий эффект нагрузки

165

торых зависит падение напряжения. Баланс реактивной

мощности для всей системы в целом не может исчерпываю-

ще определить требования, предъявляемые к мощности ис-

точников реактивной мощности. Надо оценивать возмож-

ность получения необходимой реактивной мощности как по

системе, так и по отдельным ее районам.

Необходимость в оценке баланса реактивной мощности

возникает прежде всего при проектировании подсистемы

регулирования напряжения — реактивной мощности АСДУ

(автоматизированной системы диспетчерского управления).

В ряде случаев оценка изменений условий баланса произ-

водится и в практике эксплуатации, например при вводе

новых регулирующих устройств, установленных мощностей

электростанций, изменениях схемы сети.

Нарушение баланса реактивной мощности приводит

к изменению уровня напряжения в сети. Если генерируе-

мая реактивная мощность становится больше потребляемой

(EQ

>SQ

), то напряжение в сети повышается. При дефи-

ците реактивной мощности (EQ

<2Q

) напряжение в сети

понижается. Для пояснения указанной связи напомним,

что,

например, емкостный ток линии на холостом ходу

(см.

рис. 3.2, г) повышает напряжение на ее конце. Соот-

ветственно избыток генерируемой реактивной мощности

приводит к повышению, а ее недостаток — к понижению

напряжения.

В дефицитных по активной мощности энергосистемах

уровень напряжения, как правило, ниже номинального. Не-

достающая для выполнения баланса активная мощность пе-

редается в такие системы из соседних энергосистем, в ко-

торых имеется избыток генерируемой мощности.

Обычно энергосистемы дефицитные по активной мощ-

ности, дефицитны и по реактивной мощности. Однако не-

достающую реактивную мощность эффективнее не переда-

вать из соседних энергосистем, а генерировать в ком-

пенсирующих устройствах, установленных в данной

энергосистеме.

4.6. РЕГУЛИРУЮЩИЙ ЭФФЕКТ НАГРУЗКИ

Статические характеристики нагрузки по напряжению

(см.

гл. 2) повторены на рис. 4.4. Рассмотрим, как реаги-

рует нагрузка на изменение режима в простейшей электри-

166 Рабочие режимы электроэнергетических

систем

Гл. 4

ческой системе, представленной на рис. 4.5. Пусть из-за

аварии или по другим причинам напряжение

и%

в конце ли-

нии понижается. Покажем, что нагрузка в силу своего по-

Рис.

4.4. Статические характеристики

нагрузки

е-

и*

jiiz

Рис.

4.5. Схема простейшей электри-

ческой системы

ложительного регулирующего эффекта повысит напряже-

ние U2. Напряжение в конце линии можно представить

в следующем виде:

^12

12 + ^12

&и

-ш

= и

и*

где Р*

, Qf

—активная и реактивная мощности в конце ли-

нии; г\2,

Х\2 —

активное и реактивное сопротивления линии.

При понижении С/г в соответствии со статическими ха-

рактеристиками (рис. 4.4) будут уменьшаться значения Р

и Q

, а также Р*

и Q*

, следовательно, будут уменьшаться

потери AU\2, а значение U

вследствие этого будут увели-

чиваться. Рост U

при уменьшении AUn понятен из приве-

денной выше формулы в предположении, что £/

{

поддержи-

вается постоянным. Все это справедливо в случае, когда

^ >*/*> = (0,7-*-0,8)

H0M

Нагрузка имеет положительный регулирующий эффект

при

U^U

и отрицательный регулирующий эффект при

U<.U

В последнем случае понижение £/

вызывает рост

потребляемой реактивной мощности Q2, соответственно

большая реактивная мощность течет и по линии. Это вы-

зывает увеличение потерь напряжения в линии A£/i

, сле-

довательно, уменьшается напряжение в конце линии у по-

требителя. В соответствии со статической характеристикой

§4.7

Потребители реактивной мощности

167

при

U<U

снова растет. Это приводит к дополнитель-

ному понижению U2 и т. д. Возникает явление, называемое

лавиной напряжения. При такой аварии останавливаются

(опрокидываются) асинхронные двигатели. Реактивная

мощность асинхронных двигателей растет, баланс Q нару-

шается, причем SQn^SQr, что в свою очередь приводит

к понижению U. Остановить снижение напряжения при

этой аварии можно, лишь отключив нагрузку. В настоящее

время применяются автоматические регуляторы возбужде-

ния (АРВ) на генераторах и мощных синхронных двигате-

лях, стабилизирующие напряжение, поэтому напряжение

в системе не понижается ниже критического.

4.7.

ПОТРЕБИТЕЛИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Основными потребителями реактивной мощности в элек-

трических системах являются трансформаторы, воздушные

электрические линии, асинхронные двигатели, вентильные

преобразователи, индукционные электропечи, сварочные

агрегаты и другие нагрузки. Суммарные абсолютные и от-

носительные потери реактивной мощности в элементах се-

ти весьма велики и достигают 50 % мощности, поступаю-

щей в сеть. Примерно 70—75 % всех потерь реактивной

мощности составляют потери в трансформаторах различ-

ных ступеней напряжения. Так, в трехобмоточном транс-

форматоре ТДТН-40 000/220 при коэффициенте загрузки,

равном 0,8, потери реактивной мощности составляют около

12 % номинальной мощности [4].

На промышленных предприятиях основными потребите-

лями реактивной мощности являются асинхронные двига-

тели— на их долю приходится 65—70% реактивной мощ-

ности, потребляемой предприятием, 20—25 % приходится

на трансформаторы, около 10%—на другие приемники

и воздушные линии электропередачи.

Общая потребляемая реактивная мощность в соответ-

ствии с (4.13) равна

где SQ

— суммарная реактивная мощность нагрузки;

2AQ — суммарные потери реактивной мощности.

Суммарная реактивная мощность нагрузки

= 2P

tg %,

168 Рабочие режимы электроэнергетических

систем

Гл. 4

где

PHI

—

активная мощность i-я нагрузки; tg

ср

— тангенс

угла треугольника мощностей.

Суммарные потери реактивной мощности

2AQ = 2Д$

- 2Q

+ 2AQ

где 2Лф

— суммарные потери реактивной мощности в ли-

нии;

JlQc —

суммарная генерация реактивной мощности

в емкостных проводимостях линии; 2AQ

—

суммарные по-

тери реактивной мощности в трансформаторах.

Потери реактивной мощности в линии

ном

Генерация реактивной мощности в емкостных проводи-

мостях П-образной схемы замещения линии (рис. 2.3, б и в)

Среднее значение реактивной мощности, генерируемой

в линиях длиной /=100 км, приведено ниже:

ном

кВ . . . . ПО 150 220

, Мвар ... 3 6,5 12,6

Приблизительные величины потерь реактивной мощно-

сти в линиях и генерации в проводимостях линий прини-

маются равными

2А(2

«0,15

2<2

^0,15

„

Потери в индуктивности и генерация в емкости линии

имеют разные знаки, поэтому

Следовательно,

« 2Д<2

Для В Л ПО—150 кВ это почти строгое равенство.

В этом случае по линии передается натуральная мощность.

Потери реактивной мощности в k параллельно работа-

ющих трансформаторах (см. § 2.2)

Дц/

— «о

ном

При характерных значениях и

% потери в трансформато-

4.8

Выработка реактивной мощности

на

электростанциях

169

pax ориентировочно равны

AQT»0,16SHOM

0,1S

где S

В сетях

с m

ступенями трансформации ориентировоч-

ные потери составляют AQ

s=0,lmS

При правильном проектировании

любой электричес-

кой сети должен соблюдаться баланс полной мощности

при соблюдении условий поддержания нормального режи-

ма.

При

этом необходимо обеспечить баланс реактивной

мощности

как для

системы

целом,

так и для

отдельных

узлов питающей сети

наличием

в них

необходимое

ре-

зерва реактивной мощности.

Баланс реактивной мощности следует предусматривать

для каждого характерного режима сети

отдельности.

Это

следующие режимы:

а) наибольшей реактивной нагрузки

(при

наибольшем

потреблении реактивной мощности

наибольшей необхо-

димой мощности компенсирующих устройств);

б) наибольшей активной нагрузки, связанной

наи-

большей загрузкой генераторов активной мощностью

при

наименьшей

их

реактивной мощности;

в) наименьшей активной нагрузки, связанной

отклю-

чением части генераторов

и,

следовательно, невозможно-

стью генерации последними реактивной мощности;

г) послеаварийные

ремонтные, связанные

наиболь-

шими ограничениями передаваемой реактивной мощности

по сети.

4.8.

ВЫРАБОТКА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

НА

ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ

Полная мощность, вырабатываемая генератором, вклю-

чает активную

реактивную составляющие:

=-^-,

= P

+ /Q

cos<p

—

где

cos

— коэффициент мощности генератора.

Синхронные генераторы

на

электростанциях вместе

с другими источниками реактивной мощности обеспечива-

ют

регулируют баланс реактивной мощности

современ-

ных электрических сетях.

При

этом изменение реактивной

мощности синхронных генераторов достигается соответст-

вующим изменением тока возбуждения.

номинальном